王麗軍 郭媚媚 王小平

摘要：結(jié)合真空電子束氣相沉積（electron beam evaporation deposition，EBVD）和磁控濺射（magnetron spuRefing deposition，MSD）技術(shù)，分別在Al₂O₃陶瓷襯底上制備以Cu膜為發(fā)射層的單一Cu膜和Mo/Cu復(fù)合膜及Mo/Ni/Cu復(fù)合膜3種結(jié)構(gòu)陰極薄膜?；诙O管場發(fā)射器件結(jié)構(gòu)，研究了各樣品的場發(fā)射特性。利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（fleld emission scanning electronmicroscopy，F(xiàn)E-SEM）和能譜儀（energy dispersive spectrometry，EDS）對(duì)樣品表面形貌和成分進(jìn)行分析。結(jié)果表明：Mo/Ni/Cu復(fù)合膜的閾值電場為3.3V·μm^-1;最大電流密度為63.0uA.cm^-2;比在相同條件下制備的單一Cu膜和Mo/Cu復(fù)合膜具有更好的場發(fā)射特性，表明金屬復(fù)合膜結(jié)構(gòu)有效的改善了單一Cu膜的場發(fā)射性能。

關(guān)鍵詞：金屬復(fù)合膜;場發(fā)射;電子束氣相沉積

中圖分類號(hào)：TG146.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

場發(fā)射，是指在外加電場作用下，使金屬或半導(dǎo)體等材料的表面勢(shì)壘高度降低，寬度變窄，固體中自由電子通過隧道效應(yīng)穿透表面勢(shì)壘進(jìn)入到真空的現(xiàn)象。利用場發(fā)射形式發(fā)射電子的冷陰極電子源，相比熱電子源-電子槍來講，具有啟動(dòng)快、能耗低、易于集成小型化以及選材約束小等優(yōu)點(diǎn)。冷陰極場發(fā)射除應(yīng)用于冷陰極電子源器件外，還可應(yīng)用于平板顯示器、微波放大器、X射線源、電子顯微鏡等領(lǐng)域。而且，近年來在以上各應(yīng)用領(lǐng)域都已經(jīng)有了較大的突破。

早期采用難熔金屬材料作場發(fā)射陰極材料，主要有W、Mo等，這些材料的機(jī)械性能好，熔點(diǎn)高，易于制成微尖錐形狀，有助于提高材料的場增強(qiáng)效果，進(jìn)而提高場發(fā)射器件的發(fā)射效果。近年來，人們又開始研究由其它金屬（如Cu）以及金屬氧化物（如MoO3，WO₃，CuO制備成一維納米材料的場發(fā)射特性。

一維納米材料因其特殊的結(jié)構(gòu)形貌，被視為是研制高性能場發(fā)射的重要候選材料。一般來講，金屬作為場發(fā)射陰極材料不僅可以保證電子傳輸?shù)耐〞?，而且還有利于傳導(dǎo)電子發(fā)射時(shí)器件陰極上產(chǎn)生的熱量。

Cu是人類最早使用的金屬之一，具有較低電阻率、高導(dǎo)熱率、延展性好、穩(wěn)定性好、儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉和易加工的特性。且金屬發(fā)射材料的場發(fā)射機(jī)制比較清楚，制作技術(shù)也比較成熟。

本文采用真空電子束蒸發(fā)沉積（electron beamevaporation deposition，EBVD）和磁控濺射（magnetronsputtering deposition，MSD）技術(shù)分別在Al₂O₃陶瓷基底上制備出以Cu膜作為發(fā)射層的3種樣品：Cu膜、Mo/Cu復(fù)合膜以及Mo/Ni/Cu復(fù)合膜，并比較研究了其場發(fā)射性能。

1試驗(yàn)

1.1基底預(yù)處理

為了獲得粗糙的表面形貌，提高基底與薄膜的結(jié)合力，本文首先使用HD2M 4S/4L型立式雙面研磨機(jī)對(duì)Al₂O₃陶瓷基底進(jìn)行研磨處理，設(shè)置研磨機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)數(shù)分別為：30r·min^-1和3000r。將研磨過的陶瓷片用水洗凈后，放人燒杯中，倒入適量濃度為99.7%的酒精，燒杯平穩(wěn)放人DL-720D型智能超聲波清洗儀中，超聲清洗20min后，取出陶瓷片吹干。

1.2 Cu膜樣品制備

將處理過的陶瓷片放人EBVD系統(tǒng)中，以高純度Cu為沉積靶，在Al₂O₃陶瓷基片上沉積Cu薄膜。在試驗(yàn)中通過EBVD的晶振膜厚監(jiān)控儀（filmthickness monitor，F(xiàn)TM-V）對(duì)所沉積的薄膜進(jìn)行厚度控制。具體試驗(yàn)工藝參數(shù)如表1所示。

1.3 Mo/Cu膜樣品制備

采用EBVD系統(tǒng)，以高純度Mo和高純Cu為沉積靶材，依次在陶瓷片上沉積Mo和Cu膜，制備出以Mo膜做襯底的Mo/Cu復(fù)合膜。表2列出了Mo/Cu復(fù)合膜具體的制備工藝參數(shù)。

1.4 Mo/Ni/Cu膜樣品制備

首先在EBVD系統(tǒng)中，以高純度Mo為沉積靶，在Al₂O₃陶瓷基片上沉積Mo膜;其次。將其放入MSD系統(tǒng)在Mo膜涂層上鍍一層Ni;最后，利用EBVD系統(tǒng)，在Mo/Ni復(fù)合膜上沉積高純度Cu膜，制備出Mo/Ni/Cu復(fù)合膜。具體試驗(yàn)工藝參數(shù)見表3。

2 薄膜微結(jié)構(gòu)研究及場發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果

2.1樣品形貌及成分分析

利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（field emissionscanning electron microscopy，F(xiàn)E-SEM）和能譜（energy dispersive spectrometry，EDS）測試手段對(duì)所制備的樣品表面形貌和結(jié)構(gòu)成分進(jìn)行了表征和分析。

圖1顯示了各種樣品在不同放大倍數(shù)下的FE-SEM圖。

圖1（a）和圖1（b）對(duì)應(yīng)于不同放大倍數(shù)的Cu膜樣品，可以看出，該薄膜表面比較疏松，由較大的顆粒組成。圖1（c）和圖1（d）對(duì)應(yīng)于Mo/Cu不同放大倍數(shù)的復(fù)合膜樣品，對(duì)比圖1（a）和圖1（b），其樣品表面顆粒比Cu膜樣品小。圖1（e）和圖1（f）對(duì)應(yīng)于不同放大倍數(shù)的Mo/Ni/Cu復(fù)合膜樣品，可以看出，樣品表面形貌也由較小顆粒組成，且顆粒表面有較多的起伏，同時(shí)樣品表面具有多孔性，使樣品具有大的表面積。

圖2顯示了Mo/Ni/Cu復(fù)合膜樣品的EDS譜。EDS譜中出現(xiàn)了Mo、Ni、Cu特征峰，證明了所制備的樣品的確為Mo/Ni/Cu復(fù)合膜。EDS譜中還出現(xiàn)了Al的特征峰，應(yīng)該來自于Al₂O₃陶瓷基體。

2.2 場發(fā)射性能分析

在室溫下，壓強(qiáng)為4x10^-4Pa的真空室中，分別以樣品薄膜作陰極，以涂有熒光膜和氧化銦-錫（ITO）的玻璃作陽極，用厚度為110μm的云母片作為絕緣隔離層將陰極和陽極平行隔離。采用數(shù)字安培計(jì)和高壓電源測量其場發(fā)射電流-電壓（I-V）對(duì)特性。并從記錄的I-V數(shù)據(jù)中獲得場發(fā)射電流密度與電場強(qiáng)度（J-E）曲線和福勒-諾德海姆（F-N）曲線。圖3顯示了場發(fā)射器件結(jié)構(gòu)的示意圖。

對(duì)3種不同類型樣品進(jìn)行大量的獨(dú)立重復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)各樣品的重復(fù)性都很好。

圖4給出了3種不同類型樣品對(duì)應(yīng)的場發(fā)射J-E曲線。從圖4可以看出，樣品的J-E曲線均呈指數(shù)增長。閾值電場（Eth）定義為場發(fā)射電流密度為10uA·cm^-2時(shí)的電場。對(duì)于圖中Cu膜，Mo/Cu復(fù)合膜和Mo/Ni/Cu復(fù)合膜，相應(yīng)的Eta分別為10.5，8.0和3.3V·μm^-1，Mo/Ni/Cu復(fù)合膜樣品的E_th最低。由J-E曲線可以看出，Mo/Ni/Cu復(fù)合膜樣品的場發(fā)射最大電流密度為63.0uA·cm^-2，Mo/Cu復(fù)合膜、Cu膜在同一電場下對(duì)應(yīng)的電流密度值分別為1.3和0.5uA.cm^-2，也就是說電場強(qiáng)度為4.3V·μm^-1時(shí)，Mo/Ni/Cu復(fù)合膜樣品的電流密度是其他2個(gè)樣品的48和126倍。由此可知，Mo/Ni/Cu復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，使相應(yīng)的樣品具有最佳的場發(fā)射性能。

圖5顯示了由圖4的試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的各樣品薄膜的F-N曲線，可以看出ln（J/E²）與（1/E）之間在高電場區(qū)呈現(xiàn)一定的負(fù)斜率線性關(guān)系，而在低電場區(qū)則不呈現(xiàn)負(fù)斜率線性關(guān)系，這是由于樣品表面形貌不平整，即使在高真空條件下，也不可避免地會(huì)有少許氣體吸附在孔隙中，使得在低電場區(qū)間，隨著少許的氣體放電，從而發(fā)射電流中摻人離子電流成份，致使場發(fā)射曲線在低場區(qū)不符合F-N場發(fā)射理論。但隨著外加電場增強(qiáng)而進(jìn)入高電場后，氣體放電結(jié)束，發(fā)射電流基本都是電子發(fā)射引起的，因此樣品的F-N曲線在高場區(qū)呈現(xiàn)的規(guī)律與F-N場發(fā)射理論相符合。在各種類型納米薄膜場發(fā)射陰極材料中也經(jīng)常出現(xiàn)類似的情況。

試驗(yàn)結(jié)果表明，以Cu膜為發(fā)射層的金屬復(fù)合膜結(jié)構(gòu)對(duì)改善單一Cu膜的場發(fā)射特性有明顯影響，即Mo/Ni/Cu復(fù)合膜的場發(fā)射性能優(yōu)于Mo/Cu復(fù)合膜及Cu膜的。原因是：1）Mo/Ni/Cu復(fù)合膜樣品具有更大的表面積（見圖1e和圖1f），對(duì)比Mo/Cu復(fù)合膜和Cu膜可以看出隨著中間緩沖層Ni的加人，使顆粒分離，呈現(xiàn)多孔性，增大表面積，從而增加電子的發(fā)射點(diǎn)數(shù)量，因此其場發(fā)射性能會(huì)更優(yōu);2）Cu，Ni和Mo的功函數(shù)為4.65，4.60和4.37eV，3種金屬的功函數(shù)比較接近，在Mo層和Ni層之間，以及Ni層和Cu層之間更易于形成良好的歐姆接觸，因此緩沖層Ni的加入更好地降低各層之間的表面勢(shì)壘，甚至可能存在從一種金屬層到另一種金屬層的內(nèi)電場發(fā)射現(xiàn)象，這樣為電子在各層間的輸運(yùn)提供了通道，更有利于電子在各層膜間的輸運(yùn)，進(jìn)而為最后的發(fā)射層Cu膜提供了更為充足的電子。

3結(jié)論

將EBVD和MSD鍍膜技術(shù)相結(jié)合，在Al₂O₃陶瓷襯底上制備了一系列以Cu膜為發(fā)射層的單一Cu膜和Mo/Cu復(fù)合膜及Mo/Ni/Cu復(fù)合膜3種結(jié)構(gòu)陰極薄膜。通過場發(fā)射性能檢測分析發(fā)現(xiàn)：與單一Cu膜相比，Mo/Cu復(fù)合膜閾值電場從10.5V·μm^-1降至8.0V·μm^-1，而Mo/Ni/Cu膜是在Mo/Cu復(fù)合膜中間加入緩沖層Ni，其閾值電場從8.0V·μm^-1降至3.3V·μm^-1。在電場為4.3V·μm^-1時(shí)，Cu膜、Mo/Cu復(fù)合膜和Mo/Ni/Cu復(fù)合膜的電流密度為0.5，1.3和63.0uA·cm^-2。結(jié)果表明，以Cu膜為發(fā)射層的金屬復(fù)合膜結(jié)構(gòu)有效的改善了單一Cu膜的場發(fā)射性能，且這3種結(jié)構(gòu)的場發(fā)射性能從優(yōu)到劣依次是Mo/Ni/Cu復(fù)合膜、Mo/Cu復(fù)合膜、Cu膜。